本文關鍵詞：表面等離激元納米光子學中的偏振態(tài)研究

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【摘要】：表面等離激元是一種存在于金屬——介質界面上的電磁波模式,根據(jù)它的傳播特性,可以分為表面等離極化激元(SPPs)和局域表面等離激元共振(LSPR)。表面等離激元的最主要特點是對光場的強烈束縛性和亞波長特性,使得它們在納米光子學研究中占有重要地位,在全光控制、超分辨成像、光傳感、數(shù)據(jù)存儲、超構材料、微納光子電路、增強熒光一拉曼等領域都有重要的應用價值。近年來,受微電子技術的帶動,二維納米加工技術有了很大的進步,人們能方便地進行地二維亞波長微結構加工。這種加工技術剛好適應了表面等離激元對表面性質敏感的特點,使得表面等離激元光子學成為目前最熱門的研究領域之一。本文的工作就是在表面等離激元微納光子學的背景下展開的。我們利用表面等離極化激元的亞波長特性和橫波特性,設計了微型光學偏振態(tài)測量器,能夠對任意宏觀光學偏振態(tài)進行測量。利用局域表面等離激元的天線特性,實現(xiàn)了對線偏振光的偏振旋轉,這為在納米尺度控制光的偏振態(tài)提供了新方法。由于表面等離激元的高束縛性,需要近場方法才能有效的了解它的性質。我們總結了現(xiàn)有的散射型掃描近場光學顯微鏡(s-SNOM)成像原理,提出了一個新的、簡化的近場光學顯微鏡模型。此外,對多種納米材料,特別是貴金屬納米材料進行了詳細研究。我們還研究了散射近場光學顯微鏡的襯度原理,分析了單晶銀納米線上的表面等離激元模式。這些工作在理論和實驗上都取得了有價值的結果。1、任意光的偏振態(tài)都可以使用四個斯托克斯參數(shù)(Stokes Parameters)來描述。這四個參數(shù)可以使用線偏振片和四分之一波片——線偏振片組測量得到,后者相當于一個圓偏振片。通常,一個完整的偏振態(tài)測量最少需要四次,每次得到一個光強值。但是,由于傳統(tǒng)的四分之一波片和線偏振片體積龐大,很難把偏振態(tài)測量器小型化。我們利用表面等離激元學中的“牛眼”結構,實現(xiàn)了線偏振片和圓偏振片(四分之一波片——線偏振片組)的集成,成功制作了光偏振態(tài)分析器。實驗表明,這種偏振分析器性能優(yōu)良、單元問串擾小可以用于制作大面積的偏振分析器陣列,實現(xiàn)實時的偏振態(tài)成像。2、光學旋轉是一種具有很高實用價值的光學現(xiàn)象,它起源于介質的圓雙折射性,是手性材料都具有的光學性質。一般自然材料的圓雙折射性很弱,在很大的體塊材料中才能觀察到明顯的光學旋轉。雖然在亞波長尺度上有效控制光的偏振是一件困難的事情,但是,利用表面等離激元的強束縛性,我們實現(xiàn)了光學旋轉效應。在這兒,我們利用局域表面等離激元的天線效應,制作了SPPs為饋源的圓偏振光學天線,通過調(diào)節(jié)兩支SPPs饋源之間的相位,在左旋和右旋圓偏振光之間引入了相位延遲。兩圓偏振光重新合成的線偏振光,偏振面可以發(fā)生任意角度的旋轉。3、s-SNOM是近期發(fā)展起來的一種新型的近場光學顯微鏡。不同于以往的基于拉錐光纖探針的掃描近場顯微鏡,它直接使用一般的原子力探針,靠收集從原子力探針針尖散射的近場光實現(xiàn)對近場的測量。由于原子力的探針針尖的曲率半徑可以做到很小,因此這種近場顯微鏡具有更高的分辨率,通常在10nm的數(shù)量級。但是,它同時也需要復雜的技術來實現(xiàn)從各種散射信號中提取有效的近場信號,這無疑增加了s-SNOM的復雜度。良好的模型是解釋近場圖像的關鍵,目前的主要模型是準靜電偶極子模型。這個模型在長波是成功的,但在可見光波段缺乏一般性。我們利用并矢格林函數(shù)法,提出了一個新的散射近場模型,為解釋實驗數(shù)據(jù)提供了參考。4、單晶銀納米線是一種重要的表面等離激元材料,常被用作高效的SPPs波導和SPPs共振腔。我們利用散射型近場光學顯微鏡,詳細研究了單晶銀納米線上的SPPs模式,發(fā)現(xiàn)了有趣的整SPPs波長周期的干涉圖樣。一般情況下,SPPs的駐波模式都是半個SPPs波長的。通過模擬,并參照近場模型,我們發(fā)現(xiàn),這種圖樣來自激發(fā)光和弱共振SPPs納米線腔模式的干涉作用。此外,我們對多種納米材料進行了近場圖像測量,我們發(fā)現(xiàn)它們的近場襯度可以分為兩大類——光學屬性襯度和近場強度襯度。而我們的近場模型可以很好的解釋這種分類。
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O436.3;O441

【參考文獻】

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1 楊超杰;趙華波;王培培;李潔;唐鵬;曲勝春;林峰;朱星;;Polarization dependence of the light coupling to surface plasmons in an Ag nanoparticle & Ag nanowire system[J];Chinese Physics B;2014年11期

2 AGUINALDO Ryan;;Advances in the hyperlens[J];Chinese Science Bulletin;2010年24期

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本文編號：1298244